一种基于微米级物体操作的微操作系统的研究

论文摘要

在生物工程领域,需要在显微镜下对许多微小的生物体操作,这其中大部分领域的操作是靠人工完成的。有时移动位移精度需要微米级,甚至纳米级,操作熟练的工人在显微镜下完成这种操作也需要花费很多的时间,容易产生疲劳,导致效率低和成功率低。为此本论文针对细胞穿刺的微操作系统,研制出能够自动完成操作的微操作系统。该系统主要包括视觉反馈系统(自动调焦)和微操作工具及其控制部分。本论文根据目前国内外现状和发展水平,针对微操作平台的视觉反馈系统,开发了基于数字图像处理的自动调焦系统,我们应用了一种高精度的自动对焦算法,并以形状记忆合金(SMA)作为微操作系统微操作工具的驱动器。微操作系统包括可视部分,人机接口部分和操作工具。它不仅可以实现实时监测,而且还能准确地找到微米级目标。在自动聚焦过程中,我们采用了基于灰度函数的自动定位评价函数,以目标与背景的差异大小作为图像是否准确定位的量度。将能量与高频分量相结合作为聚焦评价函数,当这一值达到最大时图像最清晰,这种方法具有较强的灵敏度,精确度,而且还有较强的可操作性,适宜于微操作平台使用。本文分析了驱动微作业工具的SMA材料的电流——应变特性,并采用位置反馈控制控制记忆合金的伸缩。为了减小SMA的降温时间,引入半导体制冷器强制冷却,以提高微操作工具的工作效率和精度。通过实验做出了SMA材料所加电流及其频率的大小与微作业工具的位移之间的关系曲线,以及位移随时间变化的关系曲线。最后讨论了SMA材料驱动的微作业工具的精度和各种特性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的意义及背景
• 1.2 微/纳米操作技术的国内外研究现状
• 1.3 论文的主要研究内容及结构安排
• 第2章 基于微米级物体操作的微操作系统的设计
• 2.1 自动调焦技术
• 2.2 自动调焦系统的组成
• 2.2.1 硬件部分
• 2.2.2 软件部分
• 2.2.3 聚焦评价函数的选取
• 2.3 微操作工具的设计
• 2.4 本章小结
• 第3章 微操作系统的自动调焦系统
• 3.1 显微镜成像的光学理论
• 3.2 自动调焦技术的基本方法
• 3.3 聚焦评价函数选取的原则
• 3.4 自动调焦系统的图像的采集及预处理
• 3.5 图像色位转换
• 3.6 自动定位和自动调焦评价函数的确定
• 3.6.1 常用评价函数介绍
• 3.6.2 自动定位与自动聚焦的评价函数
• 3.7 自动聚焦的搜索方式研究
• 3.7.1 自动搜索算法研究
• 3.7.2 自动聚焦方式
• 3.8 本章小结
• 第4章 微操作工具的设计及其控制系统的实现
• 4.1 形状记忆合金的基本特性
• 4.1.1 形状记忆效应
• 4.1.2 力学和电阻效应
• 4.1.3 热力学效应
• 4.2 SMA材料的驱动原理及冷却方式研究
• 4.2.1 SMA材料的驱动方式
• 4.2.2 SMA材料的冷却方式
• 4.3 SMA的动态特性线性化研究
• 4.3.1 SMA材料应变的比热容原理
• 4.3.2 SMA材料的温度—应变特性及其线性化
• 4.4 微作业工具的机械结构设计及运动原理分析
• 4.4.1 宏动定位平台
• 4.4.2 微操作工具的微动部分设计
• 4.5 微位移检测及反馈控制实现
• 4.5.1 微位移检测的实现
• 4.5.2 微位移图像采集系统
• 4.5.3 微位移量反馈控制系统
• 4.6 本章小结
• 第5章 微操作系统的实验结果与分析
• 5.1 自动定位及自动调焦实验步骤
• 5.2 自动定位与自动调焦实验结果
• 5.3 位置反馈控制系统
• 5.4 开环控制性能实验
• 5.5 闭环控制性能实验
• 5.6 控制性能实验分析与比较
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢